Nonlinear Optics Lab. Hanyang Univ. 레이저 기초 및 응용 원리 오 차 환 ( 한양대학교 물리학과 ) 2006. 9. 8

Nonlinear Optics LabNonlinear Optics Lab. . Hanyang Hanyang Univ.Univ.

레이저 기초 및 응용 원리

오 차 환( 한양대학교 물리학과 )

2006. 9. 8


차 례

1. 레이저 기초 이론 1) 역 사 2) 아인슈타인의 복사 양자론 3) 레이저의 기본 구조 및 3 요소 4) 레이저 광의 특성 5) 레이저 주파수 안정화 6) 초단 펄스광 생성 ( 모드 록킹 )

2. 레이저 광속의 전파 1) 레이저 광속의 공간적 분포 ( 가우스 광속 ) 2) 가우스 광속의 전파 - ABCD law

3. 비선형 광학 1) 비선형 분극과 파동방정식 2) 제 2 차 비선형 효과 3) 제 3 차 비선형 효과4. 레이저 응용 첨단 연구 및 기술Summary


1.레이저 기초 이론


LASER : Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation

1916, A. Einstein : predicted stimulated emission( 유도 방출 )

1954, C. H. Townes et al. : developed a MASER( 메이저 )

1958, A. Schawlow, C.H. Townes : adapted the principle of MASER to light

1960, T.H. Maiman : Ruby laser @ 694.3 nm

1961, A. Javan : He-Ne laser @ 1.15 m, 632.8 nm

…

1) 역사


2) 아인슈타인의 복사 양자론

[light-matter interaction] * N1, N2 : No. of atoms at E1, E2

* : photon density

* A21=1/21 : spontaneous emission rate

* B12, B21 : stimulated absorption/emission coefficients

[radiative processes]

(stimulated)absorption

stimulatedemission

spontaneousemission

B12N1 B21N2A21N2

E2

E1


자발 방출과 유도 방출

Spontaneous emission Stimulated emission

Phase and propagation direction of created photon is random.

Created photon has the same phase, frequency, polarization, and propagation direction as the input photon.


아인슈타인의 A, B 상수

Rate equation :

0)()( 1212122122 BNBNAN

dt

dN (thermal equilibrium)

kThkTEE eeN

N //)(

1

2 12 (Boltzman distribution of atoms)

1

18)(

/3

3

21/

12

21

kThkTh ec

h

BeB

A

(Planck’s blackbody radiation law)

3

3

21

212112

8,

c

h

B

ABB

12 NNif (population inversion)

Light amplification ! (Lasing)


3) 레이저의 기본 구조 및 3 요소

pumping source

active medium

resonator mirrors

laser

pumping laser

relaxation

relaxation


1) Pumping source ( 펌핑 소스 ) - Optical : Nd-YAG, Ruby, Dye, Ti:sapphire, … - Electrical : He-Ne, Ar+, CO2, N2, LD, … - Chemical : HF, I2, …

2) Active medium ( 이득 매질 ) - Gas : He-Ne, Ar+, CO2, N2, … - Liquid : Dye - Solid : Nd-YAG, Ruby, Ti:sapphire, LD, …

3) Resonator ( 공진기 ) - Total reflector / Output coupler - Maximizing the light amplification / Extracting laser light - Resonance condition : m/2=L (m:integer)


4) 레이저 광의 특성

Monochromaticity ( 단색성 ) - Linewidth(FWHM) : 7.5 kHz (He-Ne laser) << 940 MHz (low pressure Cd lamp)Coherence ( 결맞음 ) - Definite phase correlation in the radiation field at different locations(spatial) and different times(temporal)

Directionality ( 지향성 ) - Divergence angle : D < D (diffraction limit angle)

Brightness ( 높은 휘도 ) - Radiance : 106 W/cm2-sr (4mW, He-Ne laser) << 250 W/cm2-sr (super-high-pressure Hg lamp)Focusability ( 집속도 ) - Focusing diameter : d ~ f


5) 레이저 주파수 안정화

Resonance condition for laser oscillation ;

nd

cm

2 =>

n

n

d

d

ex) =6x1014 Hz (Ar+ laser), d=1 m, 1 MHz stabilization

=> 9106.1

=> !!6.1 nmd

Frequency instabilities - Long-term drift : temperature, gas pressure - Short-term fluctuation : acoustic vibration, fluctuation of medium


주파수 안정화 장치 (active nd control)

1) Reference frequency ( 기준 주파수 ) - FP interferometer’s transmission curve - Atomic/molecular transition line profile - Reference(Master) laser2) Frequency discrimination ( 주파수 분별 ) : nd 3) Electronic control system ( 전자조절 장치 ) : PID servo


예 ) FP 공진기를 이용한 주파수 안정화


6) 초단 펄스광 생성 ( 모드 록킹 )

Mode-locking : controlling the many oscillating modes to have definite phase relation (practically, =0) each other by optical modulation.

Mode-locking methods : - Active type : Pockel’s cell, AO modulator, EO modulator - Passive type : Saturable absorbers

<Active mode-locking by an AO modulator>


Mode-locked pulse

Modulator’s transmission :

)2/(sin21)cos1(1 200 tTtTT

where, dc / : round-trip angular frequency

Field amplitude of k-th mode :

ttATtTAtA kkkkk cos)2/(sin21cos)( 2000

})cos(){cos(

2

1cos)1(00 tttAT kkkk

(k+1)-th mode (k-1)-th mode

Number of modes :

c

dN

2


Total amplitude :

m

mkk tkAtA )cos()( 0 where, 12 mN

Total intensity of laser :

tt

tNAtI o2

2

2

20 cos

21

sin

21

sin)(


fs Ti:sapphire laser system

Mode-locked pulse

2d/c

Pulse width : 2d/cN

Mode-locking laser system and mode locking pulse


2. 레이저 광속의 전파


1) 레이저 광속의 공간적 분포 ( 가우스 광속 )

tt

H

EE

H ,

Maxwell’s curl equations

: Scalar wave equation02

22

t

EE

Put, tiex,y,zEtzyxE )(),,,( 0 (monochromatic wave)

=> Helmholtz equation : 02

02

02

t

EE

=>

Assume, ikzezyxE ),,(0

=> 022

2

2

2

zik

yx

Put, 2/1222

)(,]})(2

)([exp{ yxrzq

krzpi

=> q

i

dz

dp

qdz

d

q ,0)

1(

12


0)

1(

12

qdz

d

q=> 0qzq

is must be a complex ! => q 0qAssume, is pure imaginary.

=> put, 0izzq ( : real) 0z

At z = z0,

)}0(exp{)2

exp()0(0

2

ipz

krz

Beam radius at z=0, 2/10

0 )2

(k

zw : Beam Waist

2

0wizq at arbitrary z,q

=> 220

20

20

20

111

wi

Rzz

zi

zz

z

izzq

: Complex beam radius


q

i

dz

dp => )/(tan])/(1ln[)( 0

12/120 zzizzzip

=> )]/(tanexp[])/(1[

1)](exp[ 0

12/12

0

zzizz

zip


Wave field

)(2exp)/(tan[exp

)(exp

)(

),,( 2

01

2

200

zR

krizzkzi

zw

r

zw

w

E

zyxE

A

where,

2

0

20

2

20

20

2 11)(z

zw

nw

zwzw

: Beam radius

2

0

220 11)(

z

zz

z

nwzzR

: Radius of curvature of the wave front

2

00

nwz : Confocal parameter(2z0) or Rayleigh range


Gaussian beam

0z0wI

Gaussian profile

02w

0/2/ nw spread angle :

0z

Near field

(~ plane wave)

Far field

(~ spherical wave)

z


2) 가우스 광속의 전파 - ABCD law

Matrix method (Ray optics)

yi

yo

i

o

optical

elements

i

i

o

o y

DC

BAy

DC

BA: ray-transfer matrix


1) Free space

r1

r2

z1 z2

r2 = r1 + d

constant

(paraxial ray approximation)

d

1

1

2

2

10

1

rdr

n1/s + n2/s’ = (n2-n1)/R

r constant

n1/n2 – (1- n1/n2) (r1/R)

1

1

2

1

2

12

2

201

r

n

n

Rn

nnr

2) Refracting surface

s s’

rn1 n2

R

…

Ray-transfer matrices




가우스 광속에 대한 ABCD 법칙

i

i

o

o y

DC

BAy

iio

iio

DCy

BAyy

ii

ii

o

oo DCy

BAyyR

)()( opticsGaussianqopticsrayRo

DCy

BAy

ii

ii

/

/

DCq

BAqq

1

12

2q1q

optical system

DC

BAABCD law for Gaussian beam :

0izzq

2

00

nwz


예 ) 가우스 광속의 집속

101w

02w

1z 2z

?

?

fz

fzzzzfz

z

f

z

DC

BA

/10

//1

10

1

1/1

01

10

1

1

21212

12

)/1(/

)/()/1(

11

2121122 fzfq

fzzzzqfzq


2

012

2

12

012

02

11

11

w

ff

z

ww

)()/()(

)(22

012

1

12

2 fwfz

fzffz

0201 ww - If a strong positive lens is used ; => 101

02

f

w

fw

21

201 )(/ fzw - If => fz 2

=> dfff

w

fw N

N /,2

)2(

2

0102

: f-number

; The smaller the f# fo the lens, the smaller the beam waist at the focused spot.

Note) To satisfy this condition, the beam is expanded before being focused.


Selecting beam-shaping optics for optimum propagation

2

)()(

)(

),,,(

22

0

)(/)(220

2

222

zwzE

dAezE

dAtzyxE

A

zwyx

A

tot

22

22

/)2(

0

)(/22

0

2

1

)2()(

),,,(1)(

wa

azwr

tot

Aperturetottotfrac

e

drrezE

dAtzyxEar


If the optics has a diameter of , nearly 99% of the beam gets through.

But, diffraction effects caused by sharp-edged circular aperture produce ripple effects on

intensity patterns in near field and a reduction of on-axis intensity in the far field of about 17%.

=> wd 5.4

wd 3


3. 비선형 광학


1) 비선형 분극과 파동 방정식

...)()()()( 3)3(2)2()1( tEtEtEtP Polarization( 분극 ) of medium :

linear 2nd order 3rd order

Wave equation :

2

2

2

2

2

22

t

P

t

E

c

nE

new wave source term

- Mostly, the 1st linear term is dominant, and the higher order terms are negligible : linear medium

- In some medium, the 2nd or 3rd order term is comparable to the 1st term : nonlinear medium

- Invention of Laser high intensity : easy to observe the nonlinear effects


2) 제 2 차 비선형 효과

..)( 2121 CCeEeEtE titi

)()( 2)2()2( tEtP

..22 )(*21

)(21

222

221

)2( 212121 CCeEEeEEeEeE titititi

*22

*11

)2(2 EEEE

SH(second harmonics) SF(sum frequency) DF(difference frequency)

OR(optical rectification)

- SHG(second harmonic generation)

- SFG(sum frequency generation)

- DFG(difference frequency generation)

- Optical rectification

- Parametric oscillation

- Electro-optic effect

2321

321 011

11 0 213


2 차 비선형 효과의 조건 1 : noncentrosymmetric medium

1. Centro symmetric media

- Potential energy for electric dipole :

...42

)( 4220 Bx

mx

mxV

- Equation of motion :

)()( ii NexP

x

mteEBxxxx /)(2 320

Lorentz picture of an atom

- Perturbation expansion method :

..)( 321321 CCeEeEeEtE tititi

...)3(3)2(2)1( xxxx

)()( tEtE


에 대한 계수는 0

mteExxx /)(2 )1(20

)1()1( n

02 )2(20

)2()2( xxx

0][2 3)1()3(20

)3()3( xBxxx

0)2( x : Centrosymmetric medium 에서 2 차 비선형 효과는 발생하지 않음

2. Noncentrosymmetric media

- Potential energy for electric dipole :

...32

)( 3220 Dx

mx

mxV

- Equation of motion :

mteEBxxxx /)(2 320


mteExxx /)(2 )1(2

0)1()1(

0][2 2)1()2(20

)2()2( xDxxx

02 )1(3)3(20

)3()3( Bxxxx

jj

j

j

j

i

E

m

e

L

E

m

ex

2)( 220

)1(

)()2(

)/()2(

2

22)2(

jj

jj LL

EmeDx

)()()(

)/(2)(

2121

212

21)2(

LLL

EEmeDx

)()()(

)/(2)(

2121

*21

2

21)2(

LLL

EEmeDx

)()()0(

)/(2

)()()0(

)/(2)0(

22

*22

2

11

*11

2)2(

LLL

EEmeD

LLL

EEmeDx


2nd order susceptibility :

)()2(

)/(),,2(

2

23)2(

iiiii LL

DmeN

)()()(

)/(),,(

2121

23

2121)2(

LLL

DmeN

)()()0(

)/(),,0(

11

23

11)2(

LLL

DmeN

: SHG

: SFG

)()()(

)/(),,(

2121

23

2121)2(

LLL

DmeN: DFG

: OR


ex) 2nd harmonic generation

2

2

2

22

t

P

t

EE NL

Wave equation :

)()()( 321 EEEE

Total electric field :

.].)([2

1 )()( CCezEE zktij

jjj where,

zkiezEdidz

dE )(2)()2(

)]([

where,

)(1

)2(3 2 kkk

optic axis

2 차 비선형 효과의 조건 2 : Phase matching condition


2

224)(

2

22

00

)2(

)2/(

)2/(sin][

2

1

kl

kllE

n

dI

2nd harmonic intensity :

Phase matching condition :

)()2( 2 kk )()2( nn

m

optic axis)(k

결정과 광의 편광이 특정 각도 조건을 만족해야 함 .


2 차 비선형 효과의 응용

- New wave generation : SHG, SFG, DFG

- Parametric down conversion

- Modulator, switch : electro-optic effect

<Parametric down conversion>

<Electrooptic modulator>

input

polarizer polarizer/4 wave plateelectrooptic crystal

V

output


3) 제 3 차 비선형 효과

- THG(third harmonic generation)

- Phase conjugate wave( 위상공액파 ) generation

- Self focusing

- Saturated absorption

- Optical bistability

3


Phase conjugate wave generation by four wave mixing(4 광파 혼합 )

021 kk

Phase matching condition :

043 kkpump

pump

signal

conjugate

Nonlinearcrystal

..~

CCeEE tiss Signal wave :

..~ * CCeEE ti

sc Conjugate wave :

where, rik

ssseAeE *** ˆ

where, rik

ssseAeE ˆ

wave front reversal beam direction reversal


위상공액파의 응용

Aberration correction

ordinary mirror

PCM

wave front wave front

Optical resonator mirror1

2 3

9 876

5 4

Phase change :

R 12

lRl 123

)( 134 lR…

l 178

189 l

2 회 왕복 마다 위상 일치 ( 공진기 길이에 무관 )


Self focusing Optical bistability

02 n

02 n

Self focusing

Self defocusing

Innn 20 1I 3I

2I

sII /10

2

2

021 /21

1

sII

CTII

23 TII 3I

1Ibistability


4. 레이저 응용 첨단 연구 및 기술


1) 레이저 응용 분야

Laser light-matter interaction - Material processing ( 레이저 가공 및 처리 )- Laser induced fusion ( 레이저 핵융합 )- Biomedical optics ( 의광학 )- Advanced Laser spectroscopy ( 첨단 레이저 분광학 )- Laser weapons ( 레이저 무기 ) - Environment ( 환경 ) / pollution ( 오염 ) …

Laser information- Optical communication ( 광통신 )- Holography ( 홀로그래피 )- Optical memory / Display ( 광메모리 / 광디스플레이 )- Optical computing ( 광컴퓨터 )- Metrology ( 광계측 )- Entertainments ( 문화 / 오락 )- Printers/copiers ( 프린터 / 복사기 ) …

)](exp[0 rktiEE


레이저 가공의 장점- Almost no limit in material selection

Metal, wood, acryl, paper, rubber, textile, glass, …

- Locality of processing

- Noncontact processing

High precision / Small sample / Minimizing the material change

- Ease of access

Remote control / Inaccessible / Harmful area

-Cutting ( 절단 ) / Welding ( 용접 ) / Engraving ( 조판 ) /

Making ( 마킹 ) / Scribing ( 줄긋기 ) / Surface hardening ( 담금질 )

2) 레이저 가공 및 처리


engraver textile

cutter marker

주요 가공용 레이저- CO2 laser

- Nd:YAG laser

- Diode laser

Power

-10 ~ 500 W

용도와 재료에 따름

ex)

- 10W ( 비금속 마킹 )

- 60W( 금속 용접 )

- 50~ 500W( 절단 )


레이저 처리 - Crystallization( 결정화 ) of amorphous Si

: Short processing time / good crystal quality

- Surface hardening ( 담금질 )

: Fast heating & cooling / only near the surface

- Surface alloying (with auxiliary material)

: Enhanced hardness / improved corrosion resistance / protection of material

- Laser deposition ( 레이저 증착 )

: Applicable to compounds that are difficult or impossible to produce

in thin-film form by other techniques.

ex) complex ceramic materials (High Tc superconductors)

magnetic materials (YIG, Ni-Mn-Ga, …)


3) 레이저 핵융합

자연 에너지 - 수력 , 풍력 , 조력 , 태양광 - 무공해 - 설치 지역이 제한적

연료 에너지 - 화력 , 원자력 - 대기 및 방사능 오염 , 온실효과 - 매장량이 제한적 ( 석유 50 년 , 석탄 300 년 , 우라늄 100 년 )

핵융합 - 청정 - 무궁무진한 원료 : 바닷물 D( 중수소 ) / Li6 + n T( 삼중수소 ) - “ 꿈의 원자로” (E = mc2) : 1g 석유 (15,000 리터 ), 석탄 (20 톤 )

핵융합 반응 D + T He4 + n

핵융합 반응의 실현- 수소 폭탄 : 방사능- 자기 감금 방법 ( 토카막 )

- 관성 감금 방법 ( 고출력 레이저 )


관성 감금 방법의 원리

구형 중수소 삼중수소 표적에 고출력 (1 MJ 이상 ) 레이저 집속 표적 껍질부 : 고온 팽창 표적 내부 : 반작용으로 압축 고온 , 고밀도 플라즈마 형성 핵융합

레이저 핵융합의 4 단계


핵융합용 레이저시스템 개발

Rawrence Rivermore National Laboratory : Nova - 10 beam lines, 45 kJ, 30TW

Rochester university : Omega - 60 beam lines, 45 kJ

Osaka university : Gekko - 12 beam lines, 12 kJ Nova

target

Target (Rochester Univ.)

Gekko (Osaka Univ.)


4) 의광학

21 세기 사회 삶의 질이 우선 => 환경 및 건강에 대한 관심 고조 => 바이오 / 의료 분야예 ) e-Health(electronic health, 재택진단 )

의광학 : 빛의 생체조직과 일으키는 상호작용 => 질병의 진단과 치료빛의 장점 : 비접촉식 , 비침습적 , 국소적 / 선택적 치료 , 통증 감소 , 무혈 수술 등 21 세기 의료 분야 연구로 매우 적합

의광학 첨단 연구 분야- 생체조직 광학- 의광학 영상법- 의료 / 바이오 계측- 레이저 치료…


광결맞음 단층영상법 (optical coherence tomography, OCT) - 광원 : fs-Ti:sapphire laser(800nm), SLD(superluminance diode, 800nm/1300nm)

- 마이켈슨 간섭계의 원리

의광학 영상법


확산광 단층촬영법 (diffused optical tomography, DOT) - 광원 : 600-900nm( 투과길이가 길고 , 대표적 흡수체인 혈액 농도에 민감한 파장대역 ) - 서로 다른 두 위치를 통과하는 산란광의 경로를 비교 추척 - 대뇌 기능영상 , 유방암 검사 , 두꺼운 조직의 산소 포화도 측정 등


의료 / 바이오 계측

실시간 맥박 및 호흡수 측정 - 광원 : LED - 맥박 : 혈류의 교류신호 - 호흡수 : 혈류 교류신호의 베이스라인 변이 ( 호흡에 따른 혈액량 변화 )

산소포화도와 헤모글로빈 측정 ( 응급실 필수측정 요소 ) - 광원 : LED - 569nm, 805nm(isobestic points) 과 975nm( 물 흡수도 보상 ) 에서의 투과도 비율 측정 , 비교 (귀 , 손끝 ) - 산소포화도 ( 산소운반 기능 ) : 정맥 75%, 동맥 95%


체지방 - 광원 : 938nm, 948nm - 반사도 측정 ( 복부 , 근육의 체지방 ) cf) 일반적으로는 손 , 발을 통해 전류를 흘려 측정체온 - 중적외선 (8~15m) 대역의 복사 에너지 측정당뇨 , 혈당 - Glucose 의 흡수 스펙트럼 측정 (8~10m 에서 특성 피크 )안광학 진단기 - 굴절력 측정기 , 검안용 파면분석기 , 각막지형 측정기 , 적응광학 (AO) 안저촬영기 , 망막지형 관측기 , 망막두께 분석기 등


레이저 치료

레이저 효과 - Photochemical effect( 광화학적 효과 ) : 광민감성 약품 (photosensitizer) => 암세포 등에 선택적 축적 => 치료 방광 , 폐 , 식도암 등에 적용 새로운 광민감성 약품 (5-ALA, m-THPC 등 ) 개발 필요

- Photothermal effect( 광열적 효과 ) : 광 흡수 => 열에너지 , 온도 증가 => 기화 및 광응고 전립선비대증 , 암조직 응고 , 망막치료 , 모반 , 문신 , 털 제거 등 - Photomechanical effect( 광기계적 효과 ) : 단파장 , 고에너지 펄스 광 => Radical 또는 plasma => 국소적 조직 제거 치아 , 라식 수술 등 , 디스크 절제나 암조직 제거 ( 연구 중 )


레이저 임상치료

안과 망막 박리 : Ruby laser(694nm) 혈관 응고 : Ar+ laser(488, 514nm)안구 유리체 치료 : Ar+ laser(488, 514nm), Kr+ laser(413nm)백내장 , 녹내장 ( 안압과 밀접 ) : Nd-YAG pulse laser(1.064m)라식 : Excimer laser(ArF : 193nm) 피부과 사마귀 , 티눈 , 주름 , 흉터 , 수두자국 , 모발 등 제거 : CO2 laser(10.6m) 모반 (붉은색 ) : Copper vapor laser(577nm), Pulsed Dye laser(585nm)모반 (검은색 ) : Ar laser(514nm), Nd:YAG laser(532nm), Nd:YAG laser(1.064m), CO2 laser(10.6m) 부인과부인과 종양 : CO2 laser(10.6m) 자궁 질환 및 불임 : Nd:YAG laser(1.064m)신경외과뇌종양 : Nd:YAG(1.064mm), Nd:YLF(1.053mm) => fs 레이저치과경조직 ( 법랑질 , 상아질 ) : Er:YAG(2.94m) –열효과 최소화미백 : LD(830nm) – 활성산소 약품과 병행


5) 첨단 레이저 분광학EIT(electromagnetically induced transparency)

- Optical pulse manipulation- Quantum information processing- Nonlinear optics- Single photon switching …

빛을 멈추다

CQCCB.S. Ham

Nature 409, 461 (2001)

1. In cold atoms,C. Liu et al., Nature 409, 490 (2001)

2. In atomic vapors,D. Philips et al., PRL 86, 783 (2001)

3. In solids,A. Turukhin et al., • PRL 88, 023602 (2002)

빛 멈춤 실험관측


Laser cooling

- High resolution spectroscopy- BEC (Bose-Einstein Condensation) - Atomic optics / interferometry- Atomic layer deposition …

BEC

well-collimated atom laser beam


6) 광통신

Compact : 전선에 비해 가볍고 작음 Low Cost : 같은 전송능력에서 전선보다 매우 저렴 .No electrical connection (ground loop)No EMI (electromagnetic interference)Transmission capacity : 10Gbps 상용 , 100Gbps 연구중 Long repeater spacing : 40km 상용 , 120 km 가능 ( 전선 : 12km) Better security : tapping 불가

광통신의 원리 : TIR(total internal reflection, 내부전반사 )

core (n1)

cladding (n2)

1

2

critical angle (2=c1= sin-1(n2/n1)

c1

core (n1)

cladding (n2)

(n1 > n2)

< 광섬유 (optical fiber) 기본 구조 >


광통신의 제한점

Optoelectric conversion efficiency energy loss

Difficulty in joining fiber cable : fusion splice, connector transmission loss

Cable bending loss

Relatively expensive components

Difficulty in controlling optical signal

광자밴드갭 (photonic bandgap) 을 이용한 신개념 광섬유 / 광도파로

광결정 (photonic crystals) 광결정섬유와 도파로


광통신용 레이저 광원

LD(laser diode)- Small size, high efficiency, integrability with electronic components- Ease of pumping and modulation by current injection- Spectral linewidth is larger than that of other lasers- Blue LD(GaN-series)- Ease of operating a single mode : DBR/DFB LD- Elliptical beam

신개념 PC VCSEL(surface emitting laser)

H.K. Park, S.H. Kim, S.H. Kwon, Y.G. Ju, J.K. Yang, J.H. Baek, S.B. Kim, Y.H. Lee, Electrically driven single-cell photonic crystal laser, Science 305, 1444(2004).


7) 홀로그래피 (Holography)

Hologram : whole messageD. Gabor

1. 제작

laser beam

film

mirror

2. 재생

film

mirror

virtual image

object

)}({exp rkti


홀로그래피의 응용

Holography의 예

This 10x8 inch two- step full color reflectionholographic stereogramof an Acura NSX was madeusing a single laser wavelength (647 nm), anda single high- resolution photographic plate.Color was produced using the "In- Situ" color controltechnique developed by Spatial Imaging alum Julie Parker.Data courtesy of Alias Research and HondaR&D Company.

Here is a large- scale one- step holographic stereogram.The film measures 1 x 1 meters, and the image volumeoccupies approximately 1 meter of depth. This hologramwas produced in conjuction with research done forGeneral Motors Corporation in 1991. It is composed of1000 separate exposures, and displays a 45 degreeviewing angle.

Display (3 차원 영상 , 입체 TV, Head up display, …)Interferometry (변형 , 진동 , 유속 , 결함 측정 , …)Holographic optical memoryPattern recognitionDiffractive optical elements(DOE)신용카드 , 지폐 (불법복제 방지 )광고 , 장식 , …

금속캔의 하중에 의한 응력분포


C

apac

ity(G

bit/in

2 )

10- 1

10

1

1980 1990 2000 2010

(Products)

PC(Phase change)

MO(Magneto- Optic)Mixed

CD ROM(650MB)

DVD ROM(4.7GB*2)

ASMO

5.25”MO(1X)

5.25”MO(2X)

1st DVD RAM2.6GB*2

MAMMOS

HD DVD~1.5GB*2

IOPMHolography

5.25”MO(8X)

CD ROM(650MB)PD

(650MB)

2nd DVD RAM4.7GB*2

3rd DVD RAM~15GB*2

3D multi- layer

102

Holographic optical memory


HDDS (holographic digital data storage)

Photorefractive Crystal 을 이용한 VHDDS(volume HDDS) - IBM

Holographic data storage HM-100 -Holoplex

Input beam(signal arm)

SLM

Signal Beam

Input beam(reference arm)

Recording/Readout Head

Lens of high NA

ReferenceBeam

Axis of disk rotation

CCD

HolographicDisk Shift

MationOutput beam(reconstrnctionarm)

z

x

L

θ s

za

Microoptics Lab. ( 한양대 )


Summary

1. 레이저 기초 이론2. 레이저 광속의 전파3. 비선형 광학4. 레이저 응용 첨단 연구 및 기술

빛 (레이저 )

물질 (소자 )


1) F.L. Pedrotti, S.J., L.S. Pedrotti, “Introduction to optics”, Prentice Hall, New Jersey(1993).

2) W. Demtroder, “Laser spectroscopy”, Springer-Verlag, New York(1998).

3) R. W. Boyd, “Nonlinear optics”, Academic Press, Inc., New York(1992).

4) B.E.A. Saleh, M.C. Teich, “Fundamentals of Photonics”, John Wiley & Sons, Inc., New York(1991).

5) E. Kapon, “Semiconductor laser II”, Academic Press, Inc., San Diego(1999).

6) A. Yariv, “Optical electronics in modern communications”, Oxford University Press, Oxford(1997).

7) H.K. Park, Y.H. Lee, et al., Electrically driven single-cell photonic crystal laser, Science 305, 1444(2004).

8) 김법민 , Ultrashort pulse laser 를 이용한 생체조직의 제거와 미세수술 , 광학과 기술 , 7(2), 27(2003).

9) 이병하 , 극초단 레이저를 이용한 고분해능 OCT 시스템 , 광학과 기술 , 7(2), 34(2003).

10) 김법민 , 임현수 , 생체조직광학과 레이저치료 , 광학과 기술 , 7(3), 6(2003).

11) 이병하 , 오정택 , 광학 이미징의 원리와 응용 , 광학과 기술 , 7(3), 14(2003).

12) 윤길원 , 박승한 , 강신원 , 광기술을 이용한 의료 / 바이오 계측 , 광학과 기술 , 7(3), 27(2003).

13) 고동섭 , 권혁제 , 유용성 , 김찬윤 , 안광학 진단기기 , 광학과 기술 , 7(3), 36(2003).

14) 정세채 , 생체 조직의 레이저 손상과 기작 연구 및 레이저 안전성 평가기술 , 광학과 기술 , 7(3), 45(2003).

15) http://wed.edunet4u.net/~laser/미래의레이저 / 세계적개발현황 .htm

16) http://www.ehwaemc.com/ : 이화메카트로닉스 사 홈페이지

17) http://www.k2laser.co.kr/scanhawk.htm : K2 레이저시스템 사 홈페이지

18) http://microoptics.hanyang.ac.kr/home/holography/ : 한양대 마이크로광학연구실 홈페이지19) http://www.holoplex.com : Holoplex 사 홈페이지

20) http://www.ibm.com : IBM 사 홈페이지

References

Documents

Nonlinear Optics Lab. Hanyang Univ. 레이저 기초 및 응용 원리 오 차 환 ( 한양대학교 물리학과 ) 2006. 9. 8